DE19918453A1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit FlüssigmetallInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält Elektroden (3; 4) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (6) teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume (7; 8). Zwischen den Verdichterräumen (7; 8) sind isolierende Zwischenwände (9) mit Verbindungskanälen (10) angeordnet. Zur Verbesserung des dynamischen Ansprechverhaltens wird der der Elektrode (4) benachbarte Verdichterraum (8) durch eine abdichtende Zylinder-Kolben-Einrichtung (15, 16) gebildet. Deren Kolben (16) ist mit der benachbarten Elektrode (4) elektrisch leitend verbunden und in Richtung der benachbarten Elektrode (4) entgegen eines Rückstellmittels (17) verschiebbar.
Description
Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit
Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine selbsterholende Strombegren
zungseinrichtung bekannt, die zwei Elektroden aus Festmetall enthält, die
durch als druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt
sind. Innerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischenwände
und dazwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dicht
scheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinan
der liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüs
sigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwi
schenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüs
sigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elek
troden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte das Flüs
sigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische
Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Be
grenzung des Kurzschlußstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung
des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall,
worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. Zur Verbes
serung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A
die Verbindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt
angeordnet. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegren
zungseinrichtung mit nur einem Verdichterraum beschrieben und als Medium
über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüs
sigkeit erwähnt. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kon
takteinrichtungen als Flüssigmetall Gallium-Legierungen, insbesondere
GaInSn-Legierungen zu verwenden. Es sind, beispielsweise nach Patent
Abstract JP 40 4312737 A, Strombegrenzungseinrichtungen bekannt, bei
denen zur Absorption des im Strombegrenzungsfall durch Verdampfung von
Flüssigmetall entstehenden schlagartigen Druckanstieges ein röhrenartiger,
mit Flüssigmetall gefüllter Strombegrenzungsraum mit einer durch Federkraft
beaufschlagten, gasgefüllten Zylinder-Kolben-Einrichtung in Verbindung steht.
Für bestimmte Anwendungen ist es wünschenswert, daß der Strombegren
zungsvorgang noch schneller abläuft.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das dynamische Ansprech
verhalten einer gattungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung zu verbes
sern.
Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten
Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Der bei Eintritt des Strombegrenzungsfalles entstehende hohe Innendruck in
der Strombegrenzungseinrichtung verschiebt mit hoher Geschwindigkeit den
Kolben der Zylinder-Kolben-Einrichtung gegen die Kraftwirkung des Rück
stellmittels in Richtung der benachbarten Elektrode. Die damit verbundene
Vergrößerung des Volumens des zugehörigen Verdichterraumes führt zu einer
ebenso schnellen Absenkung des Flüssigkeitsspiegels, in erster Linie in
diesem Verdichterraum. Es wurde herausgefunden, daß dabei der Strombe
grenzungsvorgang im Sinne einer Beschleunigung dynamisiert wird. Diese
schnelle Absenkung des Flüssigkeitsspiegels erfolgt im allgemeinen so weit,
daß wenigstens bei einer der Zwischenwände alle Verbindungskanäle aus
dem Flüssigmetall auftauchen, was zu einer erheblichen Verlängerung eines
entstehenden Lichtbogens und damit zu einer stärkeren Strombegrenzung
oder gar zur vollständigen Unterbrechung des Stromes führt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung und damit weiteren Beschleuni
gung des Strombegrenzungsvorgangs besteht in der Ausnutzung elektrody
namischer Kräfte eines hohen Stromes, wenn dieser entweder vollständig
durch das Rückstellmittel oder wenigstens zu einem erheblichen Teil durch
das Rückstellmittel und dazu parallel wenigstens durch einen anderen, vor
zugsweise flexiblen Leiter, geführt wird. Insbesondere eignet sich hierfür eine
Schraubenfeder als elastisches Rückstellmittel.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht auch darin, einen durch die benach
barte Elektrode reichenden Stößel am Kolben vorzusehen. Dieser Stößel kann
unter anderem die Führung des Kolbens verbessern. Außerdem kann der Stö
ßel mit Rastmitteln in der Art verbunden sein, daß nach Auftreten eines Strom
begrenzungsfalles der Kolben nicht mehr von selbst durch das Rückstellmittel
in seine Ausgangslage gebracht wird, sondern erst nach Beseitigung der Stör
ursache bewußt zurückgesetzt werden muß. Im Falle der Absenkung des Flüs
sigkeitsspiegels unterhalb der Verbindungskanäle einer oder mehrerer Zwi
schenwände bleibt die Strombegrenzungseinrichtung bis zur bewußt vorge
nommenen Rückstellung ausgeschaltet.
Die Rastmittel können auch mehrere Raststellungen aufweisen, denen in Ver
bindung mit einer Einstellskala und vorzugsweise mit einem Zeiger mehrere
Ausgangsstellungen des Stößels und damit des Kolbens zugeordnet sind. Es
wurde gefunden, daß sich die Größe des Ansprechstromes bei im übrigen
gleichen Bedingungen mit abnehmender Füllstandshöhe des Flüssigmetalls
über den Verbindungskanälen verringert. Damit kann ein und dieselbe Strom
begrenzungseinrichtung durch Setzen des Stößels anwenderseitig auf einen
erforderlichen Nennstromfaktor aus einer Mehrzahl von möglichen Nenn
stromfaktoren eingestellt werden kann. Bei dem mit dem Nennstromfaktor
multiplizierten Nennstrom, für den die zu schützende Anlage ausgelegt ist, soll
die Strombegrenzungseinrichtung ansprechen. Die äußerste Raststellung kann
sogar zum bewußten Ausschalten der Strombegrenzungseinrichtung verwen
det werden.
Sind mehrere Strombegrenzungseinrichtungen zu einer mehrpoligen Einrich
tung zusammengeführt, dann empfiehlt sich die Verbindung der Stößel aller
Pole, beispielsweise über eine Brücke.
Die wechselnde Anordnung der Verbindungskanäle benachbarter Zwischen
wände verbessert einerseits durch Längung entstehender Lichtbögen das
Strombegrenzungsverhalten und erleichtert anderseits die strombegrenzende
oder gar abschaltende Absenkung des Flüssigkeitsspiegels unter wenigstens
einen Teil der Verbindungskanäle.
Ist Vakuum oder ein Schutzgas mit gegenüber der Atmosphäre niedrigem
Druck als Medium sowohl in den Verdichterräumen über dem Flüssigmetall als
auch in dem Raum zwischen Kolben und benachbarter Elektrode vorgesehen,
dann sind in der Regel keine Maßnahmen zum Druckausgleich infolge der
Kolbenbewegung erforderlich.
GaInSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall sind einfach zu
handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus
660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Ge
wichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und be
sitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgen
den, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen
Fig. 1a, 1b eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strombe
grenzungseinrichtung im Längsschnitt;
Fig. 2a, 2b eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strombe
grenzungseinrichtung im Längsschnitt.
Die selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung 1 nach Fig. 1a enthält zwei
Elektroden 3 und 4 aus Kupfer, die in äußere Anschlußleiter 5 übergehen.
Zwischen den Elektroden 3 und 4 sind mehrere mit Flüssigmetall 6 teilweise
aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume 7 und 8 angeordnet. Die
Verdichterräume 7, 8 sind untereinander durch isolierende Zwischenwände 9
getrennt. Die Zwischenwände 9 weisen gegeneinander versetzte Verbin
dungskanäle 10 auf. Die Elektroden 3, 4 sowie die Zwischenwände 9 werden
durch druckfeste Isolierkörper in Form von Dichtscheiben 11 und in Form eines
Formgehäuses 12 aus zwei Halbschalen gehalten. Der der rechtsseitigen
Elektrode 4 benachbarte Verdichterraum 8 wird durch eine diesen Verdichter
raum 8 abdichtende Zylinder-Kolben-Einrichtung gebildet, die aus einem isolie
renden Zylinder 16 und einem darin dicht geführten Kolben 16 aus Kupfer be
steht. Der Kolben 16 ist als offener Zylinder ausgebildet und liegt infolge der
Kraftwirkung eines elastischen Rückstellmittels 17, das sich in Form einer
Schraubenfeder an den gegenüberliegenden Innenflächen von Kolben 15 und
Elektrode 4 abstützt, mit seinem Kragen 18 an der benachbarten Zwischen
wand 9 an. Das Rückstellmittel 17 besteht aus leitendem Material und ist mit
den Innenseiten des Kolbens 16 und der benachbarten Elektrode 4 sowohl
mechanisch als auch elektrisch leitend verbunden. Nach Fig. 1a befindet sich
der Flüssigkeitsspiegel 13 des Flüssigmetalls 6 in allen Verdichterräumen 7, 8
oberhalb der Verbindungskanäle 10. Somit besteht im Normalbetrieb der
Strombegrenzungseinrichtung 1 eine durchgehende leitende Verbindung von
der linksseitigen Elektrode 3 über das Flüssigmetall 6 in den Verdichterräumen
7 und 8 sowie in den Verbindungskanälen 10, über den Kolben 16 und über
das Rückstellmittel 17 zur rechtsseitigen Elektrode 4.
Ein starker Anstieg des durch die Strombegrenzungseinrichtung 1 fließenden
Stromes, in der Regel durch einen äußeren Kurzschluß, hat zwei Effekte zur
Folge. Zum einen wird das Flüssigmetall 6 infolge der stark ansteigenden
Stromdichte sehr schnell aus den Verbindungskanälen 10 verdrängt und zum
Teil verdampft, was einen steilen Druckanstieg in den Verdichterräumen 7 und
8 zur Folge hat. Zum anderen bewirkt der starke Stromanstieg in dem schrau
benförmigen Rückstellmittel 17, daß die dabei entstehenden elektrodynami
schen Kräfte der Federkraft entgegenwirken und bestrebt sind, das Rückstell
mittel 17 zusammenzuziehen. Beide Effekte bewirken, daß der Kolben 16 mit
großer Geschwindigkeit zu der benachbarten Elektrode 4 hin getrieben wird,
so daß es zu einer Vergrößerung des mit dem Kolben 16 verbundenen Ver
dichterraumes 8 kommt. Diese Vergrößerung wiederum bewirkt ein rasches
Absinken des Flüssigkeitsspiegels 13, so daß dieser im Verlaufe der Kolben
bewegung unter das Niveau der Verbindungskanäle 10 einiger Zwischen
wände 9 absinkt. Die beschriebenen Vorgänge beschleunigen erheblich den
Strombegrenzungsvorgang, der bis zur vollständigen Stromunterbrechung füh
ren kann. Nach Abschaltung des Stromes, was in der Regel durch einen in
Reihe mit der Strombegrenzungseinrichtung 1 angeordneten Schutzschalter
erfolgt, kehrt der Kolben 16 in seine Ausgangsstellung gemäß Fig. 1a zurück.
Als Medium sowohl über dem Flüssigmetall 6 als auch in dem Raum zwischen
Kolben 16 und benachbarter Elektrode 4 ist Vakuum vorgesehen, so daß
keine Maßnahmen zum Druckausgleich erforderlich sind.
Die selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung 2 nach Fig. 2a und 2b un
terscheidet sich von der vorstehend beschriebenen in zwei wesentlichen
Punkten. Zum einen sind parallel zu der leitenden Verbindung durch das
Rückstellmittel 17 zwischen dem Kolben 16 und der benachbarten Elektrode 4
flexible elektrische Leiter 19 angeordnet, so daß nur ein Teil des Gesamtstro
mes für die elektrodynamisch bewirkte Kompression des Rückstellmittels 17
zur Verfügung steht, die Kompression damit erst bei einem höheren Gesamt
strom zur Wirkung kommt. Zum anderen ist der Kolben 16 mit einem Stößel 20
versehen, der durch die benachbarte Elektrode 4 geführt nach außen reicht
und dort mit Rastmitteln in Verbindung steht, welche im Beispiel aus mehreren
am Stößel 20 seitlich angebrachten Rastkerben 21 und einem unter Federkraft
stehenden Raststift 22 bestehen. Die Rastmittel sind im Sinne eines Gesper
res ausgebildet, so daß der Kolben 16 während der Strombegrenzung sich
zwar auf die benachbarte Elektrode 4 zu bewegt (Fig. 2b), jedoch nicht mehr
selbsttätig zurück unter der alleinigen Wirkung des Rückstellmittels 17 in seine
Ausgangslage (Fig. 2a) fahren kann. Dies kann erst durch bewußtes Lösen
des Rastmittels unter Aufhebung der mit dem Raststift 22 verbundenen Feder
kraft erfolgen. Mit der in Fig. 2b gezeigten Raststellung des Stößels 20 wird
demonstriert, daß nach einem Begrenzungsfall der Flüssigkeitsspiegel 13 des
Flüssigmetalls 6 soweit unter das Niveau der Verbindungskanäle 10 gesunken
ist, daß die Strombegrenzungseinrichtung 2 in dieser Position ausgeschaltet
bleibt.
Der Stößel 16 weist eine Einstellskala 23 auf, die den einzelne Rastkerben 21
zugeordnet ist. Der Raststift 22 ist als Zeiger zum besseren Ablesen der ge
rade eingenommen Raststellung ausgebildet. Die Größe des Ansprechstro
mes, bei dem die Strombegrenzung einsetzt, ist abhängig von der Füllstands
höhe des Flüssigmetalls 6 über den Verbindungskanälen 10. Damit kann die
Strombegrenzungseinrichtung 2 durch bewußtes Setzen des Stößels 20 an
wenderseitig auf einen bestimmten Nennstromfaktor (im Beispiel "14") aus
einer Mehrzahl von möglichen Nennstromfaktoren (im Beispiel "6" und "14")
eingestellt werden kann. Zusätzlich kann die Strombegrenzungseinrichtung 2
bewußt ausgeschaltet werden (Raststellung "0" gemäß Fig. 1b).
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh
rungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung
gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich die Erfindung beispielsweise
dahingehend weiterbilden, daß mehrere zum Schutz einer mehrpoligen Anlage
baulich vereinigte baugleiche Strombegrenzungseinrichtungen 2 zur gemein
samen Verstellung mit ihren Stößeln 20 über eine verbindende Brücke gekop
pelt sind.
1
;
2
Strombegrenzungseinrichtung
3
;
4
Elektroden
5
Anschlußleiter
6
Flüssigmetall
7
;
8
Verdichterräume
9
Zwischenwände
10
Verbindungskanäle
11
;
12
Isolierkörper
13
Flüssigkeitsspiegel
15
Zylinder
16
Kolben
17
Rückstellmittel
18
Kragen
19
Leiter
20
Stößel
21
Rastkerben
22
Raststift
23
Einstellskala
Claims (12)
1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal
tend Elektroden (3; 4) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schüt
zenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (6) teilweise aufgefüllte,
zwischen den Elektroden hintereinander liegende Verdichterräume (7; 8),
die durch druckfeste Isolierkörper (11; 12) und durch diese gehaltene iso
lierende Zwischenwände (9) mit Verbindungskanälen (10) gebildet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der den Elektroden (3; 4)
benachbarten Verdichterräume (7; 8) durch eine diesen Verdichterraum (8)
abdichtende Zylinder-Kolben-Einrichtung (15, 16) gebildet wird, deren Kol
ben (16) mit der benachbarten Elektrode (4) elektrisch leitend verbunden
und in Richtung der benachbarten Elektrode (4) entgegen eines Rück
stellmittels (17) verschiebbar ist.
2. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das elastische Rückstellmittel (17) wenigstens zum
Teil die elektrische Verbindung zwischen Kolben (16) und benachbarter
Elektrode (4) übernimmt und bei Überschreiten eines vorbestimmten
Wertes des durch das Rückstellmittel (17) fließenden Stromes durch die
Einwirkung elektrodynamischer Kräfte unter Mitnahme des Kolbens (16)
komprimiert wird.
3. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rückstellmittel (17) eine elektrisch sowie me
chanisch mit den gegenüberliegenden Innenflächen von Kolben (16) und
benachbarter Elektrode (4) verbundene Schraubenfeder ist.
4. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (16) einen
nach außen durch die benachbarte Elektrode (4) reichenden Stößel (20)
aufweist.
5. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stößel (20) mit Rastmitteln (21, 22) in Verbin
dung steht, die eine selbsttätige Rückstellbewegung des Kolbens (16) ver
hindern.
6. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens eine Raststellung vorgesehen ist, die
einer Stellung des Kolbens (16) entspricht, bei welcher der Flüssigkeits
spiegel (13) des Flüssigmetalls (6) unterhalb aller Verbindungskanäle (10)
von wenigstens einer Zwischenwand (9) bleibend abgesenkt ist.
7. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Raststellungen in Verbindung mit
einer Einstellskala (23) für einzustellende Strombegrenzungscharakteristi
ken vorgesehen sind.
8. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Einstellskala (23) ein Zeiger (22) zugeordnet ist.
9. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche
4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stößel (20) benachbarter oder
integrierter baugleicher Strombegrenzungseinrichtungen (2) zusätzlicher
Pole brückenartig verbunden sind.
10. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungska
näle (10) benachbarter Zwischenwände (9) derart angeordnet sind, daß
das Flüssigmetall (6) wechselnde Füllstandshöhen bezüglich der Verbin
dungskanäle (10) aufweist.
11. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Kol
bens (16) Vakuum oder ein Schutzgas mit Unterdruck vorgesehen ist.
12. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (6) eine GaInSn-
Legierung ist.
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